基于可口可樂熒光和濾光特性的光譜學實驗

吳雨倫，劉麗颯

(南開大學 物理科學學院，天津 300071)

?

基于可口可樂熒光和濾光特性的光譜學實驗

吳雨倫，劉麗颯

(南開大學 物理科學學院，天津 300071)

摘要：通過熒光光譜儀，確定可樂的弱熒光物質和濾光特性，對532 nm激光激發(fā)的紅移現(xiàn)象進行解釋. 自組微調夾持轉向裝置，利用教學用光柵單色儀定量研究了激光與可樂作用深度對光譜的影響. 實驗結合了熒光光譜和物質濾光特性等知識，物理內涵豐富，可通過自組實驗裝置鍛煉學生解決實際問題的能力.

關鍵詞：熒光光譜;濾光特性；光柵單色儀；作用深度

1引言

可樂作為一種碳酸飲料，因為其中包含一些特殊添加劑而成為食品鑒定、分析等方面關注較多的一種物質[1]，2013年在瑞士洛桑舉行的的國際物理學家錦標賽(International Physicists’ Tournament)中的一道賽題[2]有這樣的敘述：使用一束綠色的激光和一瓶沒有裝滿的可口可樂. 當綠色的激光水平照射可樂時，從瓶口處可觀測到激光傳播了一定距離，并且出現(xiàn)紅移現(xiàn)象. 隨著照射位置變深，光線紅移越明顯(圖1). 本文研究并解釋這個現(xiàn)象，并研究觀測到的光譜隨照射位置上方可樂層厚度變化的關系.

筆者將這道題目的解答，設計成全新的光譜學實驗. 本文分析確定了實驗現(xiàn)象的原理：激光射入可樂與其中的弱熒光物質作用，產(chǎn)生下轉換熒光，觀察到紅移現(xiàn)象. 隨著照射位置變深，基于可樂的濾光特性，綠色波段被吸收較紅色波段明顯，導致紅色波段所占比例上升. 因此總光強減弱，紅移現(xiàn)象更加明顯. 實驗過程中，使用532 nm波長的激光作為光源和科研熒光光譜儀研究了被激光照射的可口可樂的熒光譜并檢測了物質的濾光特性；使用自組“夾持轉向裝置”控制激光與可樂的作用深度；利用國產(chǎn)的教學光柵單色儀研究不同照射距離引起的液體層厚度對光譜紅移的影響.

(a)　　　　　　　　　　　(b)

(c)　　　　　　　　　　　(d)圖1　紅移現(xiàn)象隨照射深度增加而增加

2原理與相關現(xiàn)象觀察

熒光是從激發(fā)態(tài)分子衰變?yōu)樽孕嘀囟认嗤幕鶓B(tài)或低激發(fā)態(tài)時的自發(fā)發(fā)射現(xiàn)象. 固定激發(fā)波長，掃描發(fā)射光波長，得到熒光發(fā)射光譜. 固定發(fā)射波長，掃描激發(fā)光波長，得到熒光激發(fā)光譜.

熒光的3個基本定律[3]：

1) 為了讓一種物質發(fā)射熒光，它必須吸收光和其他形式的能量.

2) 一般來說，熒光波長比激發(fā)光的波長長，即存在斯托克斯線(也存在反斯托克斯線).

3) 熒光光子產(chǎn)額決定于熒光發(fā)射光子數(shù)與吸收的激發(fā)光子數(shù)比值

其中kf代表熒光發(fā)射的速率常量，∑k代表各種單分子的非輻射去活化過程速率常量的總和.

現(xiàn)象的關鍵是激光束在液體中發(fā)生下轉換熒光，紅移量約為100 nm. 符合此情況的是熒光現(xiàn)象，即基于斯托克斯定律的下轉換熒光. 首先入射光子將溶液粒子激發(fā)到高能級Sground+hν→Sex，之后進行兼有輻射躍遷和無輻射躍遷的過程，躍遷至低能級Sex→Slower+hν′+heat(S為能級).

熒光現(xiàn)象產(chǎn)生于可樂中的焦糖色素(一種食用色素，在可樂中除水之外含量最高，具有微弱的熒光效應[4])， 可以通過簡單的對照實驗驗證. 如取雪碧和可口可樂，置于量杯中，分別使用532 nm綠色激光照射，可樂中產(chǎn)生紅移現(xiàn)象(圖2)，雪碧中沒有現(xiàn)象(圖3). 考慮對光波長移動有影響的物質，可樂中有焦糖色素，而雪碧中沒有. 再如，將一定量可樂裝于燒杯，在空氣中靜置1周(圖4)，取上清液，過濾，并使用綠色激光進行照射實驗，不能產(chǎn)生紅移現(xiàn)象(圖5). 因為此時可樂中的熒光物質焦糖色素被大部分菌類呼吸作用分解，產(chǎn)生的小分子物質如葡萄糖(具有旋光效應[5]，與本文的熒光現(xiàn)象無關)、二氧化碳和水，沒有共軛雙鍵，因而不存在熒光現(xiàn)象.

綜上，當綠色激光射入可樂時，由于焦糖色素這種弱熒光物質的存在，產(chǎn)生下轉換熒光，發(fā)出紅光.

圖2　激光通過可樂的現(xiàn)象

圖3　激光通過雪碧的現(xiàn)象

圖4　糖酵解

圖5　紅移現(xiàn)象消失

3定量測量

1)可口可樂熒光光譜的測量

使用Horiba公司Flog-3熒光光譜儀對可口可樂進行熒光光譜測量. 使用功率為200 mW的半導體激光器產(chǎn)生的532 nm激光作為外接光源(激發(fā)光)，得到可口可樂原溶液的熒光光譜，見圖6. 由可樂溶液的熒光光譜可知，入射的綠光能激發(fā)出紅色的熒光，是紅移現(xiàn)象的成因.

2)可口可樂濾光特性研究

使用Horiba公司Flog-3熒光光譜儀同步測量實驗，對可樂的濾光性質進行研究，并將透射光

和入射光光強比繪制成曲線(圖7). 可樂具有與中心波長640 nm，帶寬95 nm的帶通濾波效應. 因此實驗中由于可樂帶通濾波特性，側向觀察雜散光時綠光的強度明顯減弱，而紅光透過顯著，所以盡管可樂的紅色熒光較弱，卻可以被明顯地觀察到. 需要說明的是綠光減弱的明顯并不是因為散射，而是基于帶通濾波性質. 因為水溶液處于米氏區(qū)，產(chǎn)生的散射與波長關系不大[6].

圖6　熒光光譜

圖7　濾光特性曲線

3)透射光譜與激光和可樂作用深度的定量觀測

采用國產(chǎn)教學用單色儀，自制夾持裝置，如圖8布置實驗光路. 將可口可樂注入比色皿中，由鐵夾夾持激光器，使用微動平臺固定鐵夾起到改變“照射位置”作用，固定光源為532 nm半導體激光器，豎直射入比色皿. 比色皿側面正對光柵單色儀的探測端(光電倍增管). 對照IPT題目的描述，此裝置將正常的觀測方向和照射方向成90°側向觀測，即“人眼”位置等價于光柵單色儀的探測端. 有螺旋測微儀控制的夾持裝置可以將水平移動設置為變量，等價于IPT題目中照射深度的變化. 轉動螺旋測微儀，記錄不同位置的光譜. 可見隨著激光和可樂作用長度的增加，看到紅色的峰值向右側移動，紅、綠光強度均減弱，但紅光減弱得慢，綠紅光強比下降,如圖9、圖10和表1所示.

圖8　實驗光路

圖9　隨照射深度變化的光譜曲線

圖10　隨照射深度變化的綠紅中心波長光強比　數(shù)據(jù)及趨勢線

D(g)/nmI(g)max/Eλm(r)/nmI(r)/EFWHM(r)/nmI(g)I(r)2.000998.6621.531.3142.031.93.000455.4616.819.1159.023.84.000388.3623.418.3162.821.25.000322.5628.215.4160.420.96.000302.9630.315.3168.519.87.000286.7635.515.1169.119.0

實驗受比色皿尺寸的影響，距離變化量只能在7 mm以下. 并且由于單色儀樣品倉的底座反射了大量激發(fā)光，因此測量到的雜散綠光的總量大于直接用激光照射可樂瓶不同深度時的情況，進一步完善需添加光學元件將激發(fā)綠光導出.

4結束語

可口可樂的對紅光的帶通濾光特性，且存在微弱的熒光物質，因此通過對可口可樂的光譜特性測試與分析，使學生可以在一個實驗中學習多種光譜學知識和實驗方法. 此外，在進行傳統(tǒng)熒光實驗的基本參量測量的基礎上,利用自組裝置,定量分析了可樂的熒光現(xiàn)象以及激發(fā)光與熒光物質作用距離的變化規(guī)律，拓展了實驗內容,鍛煉了學生的動手能力和創(chuàng)新能力. 可口可樂不僅取材容易，成本較低，安全性高，貼近了生活，相比于之前關于光譜儀的實驗如對光譜儀的標定[7]，此實驗使用光譜儀分析生活中常見的物質，趣味性強，是一個應用性好和趣味性強的綜合設計性實驗.

參考文獻：

[1]Cheng C, Wu S C. Simultaneous analysis of aspartame and its hydrolysis products of Coca-Cola Zero by online postcolumn derivation fluorescence detection and ultraviolet detection coupled two-dimensional high-performance liquid chromatography [J]. Journal of Chromatography A, 2011,1218(20):2976-2983.

[2]International Physicists’Tournament. http://ipt.info/en/2013 [EB/OL].

[3]高立模． 近代物理實驗[M]. 天津：南開大學出版社，2006，183-189.

[4]Boscolo M, Andrade-Sobrinho L G, Lima-Neto B S, et al. Spectrophotometric determination of caramel content in spirits aged in oak casks [J]. Journal of AOAC International, 2002,85(3):744-750.

[5]汪一帆，陳良雷，陳余行，等. D-葡萄糖溶液變旋規(guī)律的研究[J]. 物理實驗，2012,32(10)：45.

[6]趙凱華,鐘錫華. 光學[M]. 北京:北京大學出版社，2012:253.

[7]陳思,柯福順,樂永康. 光柵光譜儀的標定[J]. 物理實驗，2012，32(3)：44.

[責任編輯：郭偉]

A spectroscopy experiment based on fluorescent and filtering characters of Coca-Cola

WU Yu-lun, LIU Li-sa

(School of Physics, Nankai University, Tianjin 300071, China)

Abstract:Using fluorescence spectrometers, the weak-fluorescence substance and the optical filtering properties of Coca-Cola were found out to explain the red shift phenomenon when excited at 532 nm. The quantitative relationship between excitation depth and spectrum was studied using a set of apparatus and a grating spectrometer. This experiment applied many physics knowledge, including fluorescence spectrum, filtering properties etc. A part of the experiment devices needed to be made by students themselves, which could develop their abilities to solve problems in research.

Key words:fluorescence spectrum; optical filtering; grating spectrometer; excitation depth

中圖分類號：O433.1

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2015)02-0038-04

作者簡介：吳雨倫(1992-)，男，天津塘沽人，南開大學物理科學學院伯苓班2011級本科生.通訊作者：劉麗颯(1978-),女，河北秦皇島人，南開大學物理科學學院副教授，博士，從事基礎物理光學實驗教學.

基金項目:國家基礎科學人才培養(yǎng)基金資助(No.J1103208，No.J1210027)

收稿日期：2014-05-29；修改日期：2014-09-26

“第8屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文